Методические указания к аудиторному занятию на 12 неделе (16-21.11.2009).
Тема. Изменчивость. Виды изменчивости. Популяционная генетика.
Цель занятия. Усвоить классификацию изменчивости и мутаций; принципы формирования пород и сортов в селекционной работе. Усвоить разницу между понятиями об идеальной и реальной популяциями; границы применения закона Харди - Вайнберга.
Знать: основные виды изменчивости и их медицинские примеры, основные выводы из законов популяционной генетики.
Уметь: пользоваться справочной литературой для предварительного медико - генетического консультирования по наблюдаемым признакам изменчивости человека (симптомам болезней), рассчитывать популяционную частоту носителей рецессивной наследственной патологии по данным о частоте больных.
Оснащение занятия: таблицы, схемы, методические указания, копия справочника по медико-генетическому консультированию, микрокалькуляторы.
Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний.
1. Биологическая роль и результаты "хорошей" и "плохой" изменчивости.
2. Фенотипическая изменчивость (модификационная и случайная).
3. Генотипическая соматическая изменчивость.
4. Генотипическая генеративная (наследственная) изменчивость.
5. Мутационная генеративная генотипическая изменчивость.
6. Генные (точковые мутации).
7. Хромосомные болезни.
8. Геномные мутации (анэуплоидии и изменения числа геномов) и механизмы их возникновения при мейозе.
9. Условия проявления генетического груза наследственных болезней.
10. Методы селекции (аутбридинг, инбридинг, отбор).
11. Понятие о частоте доминантных и рецессивных аллельных генов в популяции (уравнение вероятностей p+q = 1).
12. Понятие об идеальной популяции.
13. Закон Харди – Вайнберга.
14. Уравнение Харди - Вайнберга p2+2pq+q2=1.
15. Частота гетерозиготных носителей наследственной патологии.
16. Комбинативная изменчивость, как основа адаптации видов.
17. Механизмы приспособления микроорганизмов к антимикробным средствам. Опыт Ледербергов.
18. Проблемы неодарвинизма и возникновение видов.
Тестовый контроль усвоения материала. Выбрать только одну букву, соответствующую правильному (правильному и полному) ответу или верно законченному высказыванию. Ответ "все верно" означает, что все вышеназванные варианты ответов верны.
1. Пример аутосомной трисомии
а – синдром Клайнфельтера б – синдром Шерешевского-Тернера в – синдром Дауна г – односторонняя гинекомастия д – все неверно
2. Пример половой трисомии
а – синдром Клайнфельтера б – синдром Шерешевского-Тернера в – синдром Дауна г – односторонняя гинекомастия д – все неверно
3. Совместимая с жизнью моносомия – это
а – синдром Клайнфельтера б – синдром Шерешевского-Тернера в – синдром Дауна г – односторонняя гинекомастия д – все неверно
4. Назвать вид мутационной изменчивости при гаплоидиях
а – генная б – хромосомная в – геномная г – комбинативная д – все неверно
5. Почему картофель при вегетативном размножении из одного клубня дает разное по величине потомство?
а – у дочерних клубней разный генотип б – проявляется комбинативная изменчивость в – проявляется фенотипическая изменчивость г – все верно д – все неверно
6. В каком организме проявляется наследственный груз рецессивных летальных генов?
а – гетерозиготном Аа б – гомозиготном АА в – гомозиготном аа г – все верно д – все неверно
7. Сколько может быть хромосом в зиготе человека при гаплоидии?
а – 23 б – 24 в – 46 г – 45 д – все неверно
8. Как изменяется частота рецессивных аллельных генов в 3 последовательных поколениях идеальной популяции?
а – повышается б – снижается в – не изменяется г – может повышаться и понижаться д – все неверно
9. Шансы популяции на выживание повышаются при
а – снижении гомозиготности б – увеличении гетерозиготности в – снижении действия мутагенных факторов г – все названное верно д – все неверно
10. Основной недостаток неодарвинизма
а – статистическая невероятность положительных мутаций б – отсутствие фактов естественного отбора в – наличие фактов естественного отбора г – наличие борьбы за существование д – все неверно
11. Сколько человек имеют доминантный аллельный ген, если 1 больной приходится на 10000 здоровых людей?
а – 1 на 100 б – 1 на 5000 в – 1 на 10000 г – 1 на 40 д – 1 на 50
12. Сколько человек имеют рецессивный аллельный ген, если 1 больной приходится на 200 здоровых людей?
а – 1 на 10 б – 1 на 7,7 в – 1 на 13 г – 1 на 200 д – 1 на 50
13. Сколько человек имеют рецессивный аллельный ген, если 1 больной приходится на 40000 здоровых людей?
а – 1 на 100 б – 2 на 5000 в – 1 на 10000 г – 1 на 40 д – 1 на 500
14. Скрытый генетический груз наследственной патологии включает
а – доминантные летальные гены б – рецессивные летальные гены в – любые неаллельные гены г – все верно д – все неверно
15. Что доказал опыт Ледербергов?
а – наличие положительных мутаций б – предсуществование антибиотико-устойчивых штаммов микроорганизмов в – эволюцию микробов г – все верно д – все неверно
Основная литература:
1. Чебышев Н. В. и др., Биология (Учебник). –М.:ВУНМЦ 2000. С. 205-277.
2. Конспект лекции № 11 (Генетика – 3).
Конспект лекции № 11 (Генетика 3).
Классификация изменчивости
┌─────────────────────────────────────────┐
│ изменчивость │
└──────────────────┬──────────────────────┘
┌────────────────┴───────────────┐
┌────────┴─────────┐ ┌─────────────┴──────────────────┐
│ фенотипическая │ │ генотипическая │
└────────┬─────────┘ └─────────────────┬──────────────┘
┌────┴──────┐ ┌───────┴────┐
┌───┴─────┐ ┌───┴───────────┐ ┌───────┴──────┐ ┌───┴─────────┐
│случайная│ │модификационная│ │ генеративная │ │соматическая │
└─────────┘ └───────────────┘ └───────┬──────┘ └──────┬──────┘
┌────────────────────┬───┘ │
┌───────────┴───────┐┌───────────┴─────────┐ ┌──────┴──────┐
│ комбинативная ││ мутационная │ │ мутационная │
└───────────────────┘└────────┬────────────┘ └─────────────┘
┌─────────────────────┴─┬─────────────┐
┌────────┴─────────────┐┌────────┴──────┐┌─────┴─────────────┐
│ геномная ││ хромосомная ││ генная (точковая) │
└───────────┬──────────┘└───────────┬───┘└───────────────────┘
┌──────┴───────┐ │
┌────┴────────┐┌────┴─────┐ ┌──┴──────────────┐
│изменение ││изменение │┌─────┴────────┐┌───────┴─────────┐
│числа наборов││числа ││межхромосомная││внутрихромосомная│
│хромосом (ге-││отдельных ││(транслокации)││(делеции, дупли- │
│номов) ││хромосом ││ ││кации, инверсии) │
└─────┬───────┘└──────┬───┘└──────────────┘└─────────────────┘
┌─┴──────┐ └──┬──────────┐
┌───┴─────┐┌─┴─────────┐┌┴────────┐┌┴─────────────────────────┐
│гаплоидии││полиплоидии││моносомии││полисомии(трисомии, тетра-│
└─────────┘└───────────┘└─────────┘│сомии, пентасомии и т. д.)│
└──────────────────────────┘
Если наследственность обеспечивает единообразие общего плана строения, развития и жизнеобеспечения, то изменчивость – это свойство, определяющее разнообразие деталей анатомии и физиологии конкретных особей.
Биологический смысл изменчивости – создание материала для естественного отбора тех особей, которые обладают способностью выживать и размножаться в конкретных условиях существования.
Фенотипическая изменчивость возникает под влиянием на организм среды обитания. При этом наследственный материал не затрагивается. Если фактор внешней среды, вызывающий проявление признака известен, то эту изменчивость называют модификационной. Так, если у кролика русской горностаевой породы выбрить участок кожи на спине и поместить животное на холод, то оголенное место зарастает темной шерстью. При обычной температуре растет белая шерсть. Если фактор среды, вызывающий изменчивость не ясен или изменения вызываются при совместном действии нескольких факторов, то такую изменчивость называют случайной. В ряде случаев возникает фенокопия – фенотипическая изменчивость, которая выглядит как генетическая наследственная болезнь. Так, один из 300 новорожденных мальчиков имеет гипоспадию - порок развития мужской половой системы, при которой происходит смещение наружного отверстия мочеиспускательного канала с головки полового члена на основание. Причина этого феномена может быть связана с генетическим дефектом, но возможна и при нарушении внутриутробного развития под влиянием факторов внешней среды, т.е. является фенотипической изменчивостью.
Генотипическая изменчивость связана с нарушениями наследственного материала.
Если изменяется наследственный материал соматических клеток, не принимающих участия в размножении организма, то изменения фенотипа данной особи не передаются потомкам. Такую генотипическую изменчивость называют соматической. Как правило, причиной этой изменчивости являются мутации соматических клеток. Примером соматической изменчивости может служить односторонняя гинекомастия – увеличение одной грудной железы у мужчин (часть соматических клеток теряет Y-хромосому). Опухолевые заболевания также связывают с соматической генетической изменчивостью.
Если изменяется наследственный материал половых клеток, зигот и клеток раннего этапа внутриутробного периода развития, то изменения фенотипа проявляются у потомков данной особи. Такую генотипическую изменчивость называют генеративной. Генеративная изменчивость может быть следствием воздействия на организм мутагенных факторов (мутационная изменчивость) или быть следствием нормального процесса случайной перетасовки генетического материала (комбинативная изменчивость).
Мутационный процесс может быть на уровне отдельных генов и нуклеотидов (генные точковые мутации), на уровне отдельных хромосом (хромосомные мутации) и на уровне генотипа (геномные мутации).
К генным точковым мутациям относят вставки, замещения, выпадения и инверсии (вращения) отдельных нуклеотидов или их групп, что может приводить к нарушению аминокислотных последовательностей белков.
Хромосомные мутации или аберрации могут быть "внутренним делом" конкретной хромосомы – это внутрихромосомные мутации. При этом происходят процессы, сходные с точковыми мутациями, но изменениям подвергаются крупные участки хромосом. Виды внутрихромосомных мутаций (см. рис. 2): делеции (аналог выпадения нуклеотидов), дупликации (аналог удвоения), инверсии (аналог инверсии нуклеотидов).
Рисунок 2. Внутрихромосомные мутации.
│А │А │А │А │А │А │А │А │А │А
│В │В │В │В │В │В │В │D ─┐ │В │В
* * * * * * * │C │ * *
│С │С │С │С │С │С │С * │ │С │С
│D │D │D │D │D │D │D │В ─┘ │D │E ─┐
│E │E │E │E │E │E │E │E │D ─┘
│F │F │F │E │F │E │F │F │F │F
исходная │F │F
пара делеция дупликация две инверсии (показаны
хромосом участки вращения)
Следует обратить внимание на то, что при инверсиях нет нарушения количества генетического материала в хромосоме, а изменение фенотипа зависит от "эффекта положения" гена. Если в хромосомной аберрации принимают участие негомологичные хромосомы, то говорят о межхромосомных мутациях (транслокациях) (см. рис. 3).
Рисунок 3. Механизм межхромосомной мутации
│А │А ┐ │J │J │А <───────┐
│В │В ┘─┐ │K │K │В │
* * │ * * * │
│С │С │ │O │O ┐ │O │
│D │D │ │P │P ├────┐ │P <─────┐ │
│E │E │ │R │R │ │ │R │ │
│F │F │ │T │T ┘ │ │T │ │
│ └────────────────────┘ │
└──────────────────────────────────────────┘
первая исходная вторая исходная транслокация
пара хромосом пара хромосом
Следствием хромосомных перестроек могут быть тяжелые заболевания, например, повторные спонтанные аборты или транслокационная форма синдрома Дауна.
Третий вид мутационной генеративной изменчивости – геномные мутации. Различают изменения числа геномов и изменения числа отдельных хромосом (анэуплоидия).
При изменении числа геномов, вместо нормального двойного или диплоидного набора хромосом, наблюдается гаплоидия – одинарный набор хромосом в соматических клетках. Гаплоидия у людей не известна, что связано с ранней гибелью эмбриона с таким генотипом, но в эксперименте получены гаплоидные тритоны с пониженной жизнеспособностью. При полиплоидии отмечается количество хромосомных наборов больше двух (триплоидия-3, тетраплоидия-4 и т. д.). Полиплоидные зародыши человека обнаружены при исследовании материала, полученного при абортах (выкидышах). Описаны единичные случаи рождения три- и тетраплоидных детей, которые имели многочисленные уродства, а продолжительность их жизни варьировала от 15 минут до 7 суток.
Изменение количества отдельных хромосом или анэуплоидии проявляются в форме моносомий и полисомий (трисомии, тетрасомии, пентасомии и т. д.). Моносомии характеризуются утратой зиготой одной хромосомы. У человека, по-видимому, только одна моносомия – синдром Шерешевского-Тернера (нет одной из Х-хромосом) совместима с жизнью. Трисомии встречаются чаще. Наиболее известна из них трисомическая форма синдром Дауна (лишняя 21-я хромосома это - аутосомная трисомия). Примером половых трисомий являются люди с синдромами Кляйнфельтера (ХХY –мужчины), сверхженщины (ХХХ), супермена (XYY).
Механизм возникновения анэуплоидий связан с нарушением мейоза, в частности, расхождения хромосом к полюсам клетки. Если к одному из полюсов будущей гаметы человека отойдет не 23, а 22 хромосомы, то другой половине достанется 24. При слиянии таких гамет с нормальной гаметой (23 хромосомы) в первом случае возникнет моносомия (22+23=45), во-втором трисомия (24+23=47) (рис. 4.).
Рисунок 4. Нарушения мейотического деления с формированием моно- и трисомии
│ │
исходная │ │ │ │ исходная
клетка в ┌─> * * ──┐ ┌── * * │<─┐ клетка в
процессе │ │ │ │ │ │ │ * │ процессе
гамето- │ │ │ │ ││ │ │ │ │ │ гамето-
генеза │дефектная│ ││ ││ │ нормаль- │ генеза
││ │ гамета: │ ** ** │ │ ная гаме-│ ││
││ ││ │нет хро- └> ││ ││ * <┘ та │ ││ ││
** ** ││ ──┤мосомы №3 ││ ││ │ ├── ** ** ││
││ ││ ** │ зигота │ ││ ││ **
││ ││ ││ │ │ моносомия │ │ ││ ││ ││